掃描探針顯微技術之二原子力顯微鏡AFM技術演示文稿當前第1頁\共有51頁\編于星期四\0點主要內容發展歷史基本原理應用當前第2頁\共有51頁\編于星期四\0點scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)掃描探針顯微鏡SPM

SPM是指在STM基礎上發展起來的一大類顯微鏡，通過探測極小探針與表面之間的物理作用量如光、電、磁、力等的大小而獲得表面信息。當前第3頁\共有51頁\編于星期四\0點

1986，IBM，葛·賓尼（G.Binnig）發明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面觀測儀器．原理：利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來呈現樣品的表面特性基本原理當前第4頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理原子間的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力當前第5頁\共有51頁\編于星期四\0點samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測器當前第6頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理當前第7頁\共有51頁\編于星期四\0點AFM信號反饋模式基本原理當前第8頁\共有51頁\編于星期四\0點微懸臂位移量的檢測方式當前第9頁\共有51頁\編于星期四\0點力檢測部分光學檢測部分反饋電子系統壓電掃描系統計算機控制系統儀器構成當前第10頁\共有51頁\編于星期四\0點接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式當前第11頁\共有51頁\編于星期四\0點針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為10－8—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接觸模式d＜０.０３nm當前第12頁\共有51頁\編于星期四\0點優點：可產生穩定、高分辨圖像。缺點：可能使樣品產生相當大的變形，對柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴重影響AFM成像質量。工作模式-接觸模式當前第13頁\共有51頁\編于星期四\0點相互作用力是范德華吸引力，遠小于排斥力.

vanderWaalsforcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接觸模式范德華吸引力微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。

當前第14頁\共有51頁\編于星期四\0點優點：對樣品無損傷

缺點：

1）分辨率要比接觸式的低。2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數據不穩定和對樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式當前第15頁\共有51頁\編于星期四\0點介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5~100nm)，針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。

vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-輕敲模式當前第16頁\共有51頁\編于星期四\0點特點：

1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；

2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式當前第17頁\共有51頁\編于星期四\0點工作模式-輕敲模式當前第18頁\共有51頁\編于星期四\0點當前第19頁\共有51頁\編于星期四\0點當前第20頁\共有51頁\編于星期四\0點相位成像(phaseimaging)技術通過輕敲模式掃描過程中振動微懸臂的相位變化來檢測表面組分,粘附性,摩擦,粘彈性和其他性質的變化.當前第21頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理當前第22頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理當前第23頁\共有51頁\編于星期四\0點原子力顯微鏡之解析度基本原理當前第24頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理當前第25頁\共有51頁\編于星期四\0點基本原理當前第26頁\共有51頁\編于星期四\0點氮化硅探針針尖放大圖基本原理當前第27頁\共有51頁\編于星期四\0點為克服“加寬效應”：一方面可發展制造尖端更尖的探針技術，另一方面對標準探針進行修飾也可提高圖像質量。

針尖技術單碳納米壁管直徑0.7～5nm基本原理當前第28頁\共有51頁\編于星期四\0點AFM技術的主要特點:優點:制樣相對簡單,多數情況下對樣品不破壞.具有高分辨率，三維立體的成像能力，可同時得到盡可能多的信息.操作簡單,對附屬設備要求低.缺點:對試樣仍有較高要求,特別是平整度.實驗結果對針尖有較高的依賴性(針尖效應).仍然屬于表面表征技術,需和其他測試手段結合.當前第29頁\共有51頁\編于星期四\0點主要內容發展歷史工作原理應用當前第30頁\共有51頁\編于星期四\0點原子力顯微鏡的應用金屬半導體材料化學納米材料生命科學微加工技術……當前第31頁\共有51頁\編于星期四\0點用AFM觀察DNA雙螺旋結構生物和生命科學當前第32頁\共有51頁\編于星期四\0點用AFM觀察細胞生長生物和生命科學當前第33頁\共有51頁\編于星期四\0點用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況微電子科學和技術當前第34頁\共有51頁\編于星期四\0點高分子領域的應用當前第35頁\共有51頁\編于星期四\0點聚合物膜表面形貌與相分離觀察Kajiyama等人應用AFM研究了單分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分離情況。膜較厚時(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ時,可以得到PMMA呈島狀分布在PS中的AFM圖象。當前第36頁\共有51頁\編于星期四\0點聚合物膜表面形貌與相分離觀察對非晶態聚合物膜,形貌圖信息較為有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的數據與樣品表面硬度和粘彈性有關，可以觀察相分離．即使在樣品表面相對“平坦”的情況下,也能較好地反映出聚合物的相分離后,不同類型聚合物的所在區域。當前第37頁\共有51頁\編于星期四\0點高分子結晶形態觀察當前第38頁\共有51頁\編于星期四\0點聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽內分散,而后在極低的表面壓下(<0.1ｍＮ/ｍ)將分子沉積在新鮮云母表面。非晶態單鏈高分子結構觀察當前第39頁\共有51頁\編于星期四\0點當前第40頁\共有51頁\編于星期四\0點AFM在聚合物膜研究中的應用1表面整體形態研究2孔徑(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究當前第41頁\共有51頁\編于星期四\0點1表面整體形態研究當前第42頁\共有51頁\編于星期四\0點2孔徑(分布),粒度（分布）研究當前第43頁\共有51頁\編于星期四\0點SectionanalysisofTM-AFMimage.當前第44頁\共有51頁\編于星期四\0點Tappingmodeatomicforcemicrographs當前第45頁\共有51頁\編于星期四\0點當前第46頁\共有51頁\編于星期四\0點3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形態間的差異，影響著膜的物理和化學性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。當前第47頁\共有51頁\編于星期四\0點

膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖X—1μm/格;